Un elemento del período 4 es uno de los elementos químicos de la cuarta fila (o período ) de la tabla periódica de los elementos químicos . La tabla periódica está dispuesta en filas para ilustrar tendencias recurrentes (periódicas) en el comportamiento químico de los elementos a medida que aumenta su número atómico: se inicia una nueva fila cuando el comportamiento químico comienza a repetirse, lo que significa que los elementos con un comportamiento similar caen en las mismas columnas verticales. El cuarto período contiene 18 elementos comenzando con el potasio y terminando con el criptón, un elemento para cada uno de los dieciocho grupos . Ve la primera aparición del bloque d (que incluye metales de transición ) en la tabla.
Todos los elementos del cuarto período son estables [1] y muchos son extremadamente comunes en la corteza y/o el núcleo de la Tierra ; es el último período sin elementos inestables. Muchos metales de transición en el período son muy fuertes y, por lo tanto, comunes en la industria , especialmente el hierro [2] . Algunos son tóxicos : todos los compuestos de vanadio conocidos son tóxicos, [3] el arsénico es uno de los venenos más conocidos y el bromo es un líquido tóxico. Por el contrario, muchos elementos son esenciales para la supervivencia humana, como el calcio, el componente principal de los huesos [2] .
A medida que aumenta el número atómico , el principio de Aufbau hace que los elementos del período coloquen sus electrones en los subniveles 4s, 3d y 4p, en ese orden. Sin embargo, hay excepciones, como el cromo. Los primeros doce elementos (K, Ca y metales de transición) tienen de 1 a 12 electrones de valencia respectivamente, que se colocan en los subniveles 4s y 3d.
Doce electrones sobre la configuración electrónica del argón alcanzan la configuración del cinc, es decir, 3d 10 4s 2 . Después de este elemento, la subcapa 3d llena se retira efectivamente de la química y la tendencia subsiguiente se parece mucho a las tendencias en los períodos 2 y 3 . Los elementos del bloque p del período 4 tienen su capa de valencia compuesta por las subcapas 4s y 4p de la cuarta capa ( n = 4 ) y obedecen la regla del octeto .
En el caso de la química cuántica , este período se caracteriza por la transición del paradigma simplificado de las capas de electrones a la investigación de muchas subcapas de formas diferentes . La disposición relativa de sus niveles de energía está regida por la interacción de varios efectos físicos. Los metales del bloque s del período colocan sus electrones diferenciadores en 4s a pesar de tener vacantes entre estados nominalmente inferiores de n = 3 , un fenómeno que no se observa en elementos más ligeros. Por el contrario, los seis elementos desde el galio hasta el criptón son los más pesados, donde todas las capas de electrones por debajo de la capa de valencia están completamente llenas . Esto ya no es posible en períodos posteriores debido a la existencia de subcapas f a partir de n = 4 .
(*) Excepción a la regla de Madelung
El potasio (K) es un metal alcalino , por debajo del sodio y por encima del rubidio , [4] y el primer elemento del periodo 4. Uno de los elementos químicos más reactivos , generalmente se encuentra solo en compuestos . Es un metal plateado [5] que se empaña rápidamente cuando se expone al oxígeno del aire, que lo oxida . Es lo suficientemente blando como para cortarlo con un cuchillo [6] y es el segundo elemento menos denso . [ cita requerida ] El potasio tiene un punto de fusión relativamente bajo ; se derretirá bajo una pequeña llama abierta. [5] También es menos denso que el agua y, en principio, puede flotar [7] (aunque reaccionará con cualquier agua a la que esté expuesto). [5]
El calcio (Ca) es el segundo elemento del período. El calcio nativo , un metal alcalinotérreo , casi nunca se encuentra en la naturaleza, [ cita requerida ] porque reacciona con el agua. [8] Tiene una de las funciones biológicas más conocidas en todos los animales y algunas plantas, ya que forma elementos estructurales como los huesos y los dientes. [9] También tiene aplicaciones en las células , como señales para los procesos celulares . Se considera el mineral más abundante en el cuerpo humano. [ cita requerida ]
El escandio (Sc) es el tercer elemento del período y el primer metal de transición de la tabla periódica. El escandio es bastante común en la naturaleza, pero es difícil de aislar porque su composición química refleja bastante bien la de otros compuestos de tierras raras . El escandio tiene muy pocas aplicaciones comerciales, la principal excepción son las aleaciones de aluminio .
El titanio (Ti) es un elemento del grupo 4. El titanio es uno de los metales menos densos y uno de los más fuertes y resistentes a la corrosión. Como tal, tiene muchas aplicaciones, especialmente en aleaciones con otros elementos, como el hierro. Se utiliza comúnmente en aviones , palos de golf y otros objetos que deben ser fuertes, pero ligeros.
El vanadio (V) es un elemento del grupo 5. El vanadio nunca se encuentra en forma pura en la naturaleza, pero se encuentra comúnmente en compuestos. El vanadio es similar al titanio en muchos aspectos, como por ejemplo, es muy resistente a la corrosión; sin embargo, a diferencia del titanio, se oxida en el aire incluso a temperatura ambiente. Todos los compuestos de vanadio tienen al menos cierto nivel de toxicidad, y algunos de ellos son extremadamente tóxicos.
El cromo (Cr) es un elemento del grupo 6. El cromo, al igual que el titanio y el vanadio, es extremadamente resistente a la corrosión y, de hecho, es uno de los componentes principales del acero inoxidable . El cromo también tiene muchos compuestos coloridos y, como tal, se utiliza con mucha frecuencia en pigmentos, como el verde cromo .
El manganeso (Mn) es un elemento del grupo 7. El manganeso se encuentra a menudo en combinación con el hierro. El manganeso, al igual que el cromo, es un componente importante del acero inoxidable , ya que evita que el hierro se oxide. El manganeso también se utiliza a menudo en pigmentos, al igual que el cromo. El manganeso también es venenoso; si se inhala en cantidad suficiente, puede causar daños neurológicos irreversibles.
El hierro (Fe) es un elemento del grupo 8. Es el más común en la Tierra entre los elementos de este período y probablemente el más conocido de ellos. Es el componente principal del acero . El hierro-56 tiene la densidad energética más baja de todos los isótopos de cualquier elemento, lo que significa que es el elemento más masivo que se puede producir en las estrellas supergigantes . El hierro también tiene algunas aplicaciones en el cuerpo humano; la hemoglobina es en parte hierro.
El cobalto (Co) es un elemento del grupo 9. El cobalto se utiliza habitualmente en pigmentos, ya que muchos compuestos de cobalto son de color azul. El cobalto también es un componente fundamental de muchas aleaciones magnéticas y de alta resistencia. El único isótopo estable, el cobalto-59 , es un componente importante de la vitamina B-12 , mientras que el cobalto-60 es un componente de la lluvia radiactiva y puede ser peligroso en cantidades suficientemente grandes debido a su radiactividad.
El níquel (Ni) es un elemento del grupo 10. El níquel es raro en la corteza terrestre, principalmente debido a que reacciona con el oxígeno del aire, y la mayor parte del níquel de la Tierra proviene de meteoritos de níquel-hierro . Sin embargo, el níquel es muy abundante en el núcleo de la Tierra ; junto con el hierro es uno de los dos componentes principales. El níquel es un componente importante del acero inoxidable y de muchas superaleaciones .
El cobre (Cu) es un elemento del grupo 11. El cobre es uno de los pocos metales que no es de color blanco o gris, los únicos [ cita requerida ] otros son el oro , el osmio y el cesio . El cobre ha sido utilizado por los humanos durante miles de años para proporcionar un tinte rojizo [ aclaración necesaria ] a muchos objetos, e incluso es un nutriente esencial para los humanos, aunque demasiado es venenoso. El cobre también se usa comúnmente como conservante de la madera o fungicida .
El zinc (Zn) es un elemento del grupo 12. Es uno de los principales componentes del latón y se utiliza desde el siglo X a. C. El zinc también es muy importante para los seres humanos; casi 2 mil millones de personas en el mundo padecen deficiencia de zinc. Sin embargo, un exceso de zinc puede provocar deficiencia de cobre. El zinc se utiliza a menudo en baterías, llamadas acertadamente baterías de carbono-zinc , y es importante en muchos recubrimientos, ya que el zinc es muy resistente a la corrosión.
El galio (Ga) es un elemento del grupo 13 , dentro del aluminio . El galio es notable porque tiene un punto de fusión de aproximadamente 303 kelvin , aproximadamente a temperatura ambiente. Por ejemplo, será sólido en un día típico de primavera, pero será líquido en un día caluroso de verano. El galio es un componente importante en la aleación galinstan , junto con el estaño. El galio también se puede encontrar en semiconductores.
El germanio (Ge) es un elemento del grupo 14. El germanio, al igual que el silicio que se encuentra por encima de él, es un semiconductor importante y se utiliza habitualmente en diodos y transistores, a menudo en combinación con arsénico. El germanio es bastante raro en la Tierra, lo que llevó a su descubrimiento relativamente tardío. El germanio, en compuestos, a veces puede irritar los ojos, la piel o los pulmones.
El arsénico (As) es un elemento del grupo 15 , los pnicógenos. Como se mencionó anteriormente, el arsénico se utiliza a menudo en semiconductores en aleaciones con germanio. El arsénico, en forma pura y en algunas aleaciones, es increíblemente venenoso para toda la vida multicelular y, como tal, es un componente común en los pesticidas. El arsénico también se utilizaba en algunos pigmentos antes de que se descubriera su toxicidad.
El selenio (Se) es un elemento del grupo 16 , los calcógenos. El selenio es el primer no metal del periodo 4, con propiedades similares al azufre . El selenio es bastante raro en forma pura en la naturaleza, y se encuentra principalmente en minerales como la pirita , e incluso en ese caso es bastante raro. El selenio es necesario para los humanos en cantidades mínimas, pero es tóxico en grandes cantidades. El selenio es rojo en su estructura monomolar, pero gris metálico en su estructura cristalina.
El bromo (Br) es un elemento del grupo 17 (halógeno) . No existe en forma elemental en la naturaleza. El bromo es apenas líquido a temperatura ambiente, y hierve a unos 330 kelvin. El bromo también es bastante tóxico y corrosivo, pero los iones de bromuro, que son relativamente inertes, se pueden encontrar en la halita o sal de mesa. El bromo se utiliza a menudo como retardante del fuego porque se pueden hacer muchos compuestos para liberar átomos de bromo libres.
El criptón (Kr) es un gas noble que se coloca bajo argón y sobre xenón . Al ser un gas noble, el criptón rara vez interactúa consigo mismo o con otros elementos; aunque se han detectado compuestos, todos son inestables y se desintegran rápidamente, y por ello, el criptón se utiliza a menudo en luces fluorescentes. El criptón, como la mayoría de los gases nobles, también se utiliza en iluminación debido a sus numerosas líneas espectrales y a las razones antes mencionadas.
Muchos elementos del período 4 desempeñan funciones en el control de la función proteica como mensajeros secundarios , componentes estructurales o cofactores enzimáticos . Las células utilizan un gradiente de potasio para mantener un potencial de membrana que permite la activación de neurotransmisores y facilita la difusión , entre otros procesos. El calcio es una molécula de señalización común para proteínas como la calmodulina y desempeña un papel fundamental en el desencadenamiento de la contracción del músculo esquelético en vertebrados. El selenio es un componente del aminoácido no canónico selenocisteína ; las proteínas que contienen selenocisteína se conocen como selenoproteínas . Las enzimas de manganeso son utilizadas tanto por eucariotas como por procariotas , y pueden desempeñar un papel en la virulencia de algunas bacterias patógenas. [10] Las vanabinas , también conocidas como proteínas asociadas al vanadio, se encuentran en las células sanguíneas de algunas especies de ascidias . El papel de estas proteínas es discutido, aunque existe cierta especulación de que funcionan como transportadores de oxígeno. Los iones de zinc se utilizan para estabilizar el entorno de los dedos de zinc de muchas proteínas que se unen al ADN .
Los elementos del período 4 también se pueden encontrar formando complejos con pequeñas moléculas orgánicas para formar cofactores. El ejemplo más famoso de esto es el hemo : un compuesto de porfirina que contiene hierro responsable de la función de transporte de oxígeno de la mioglobina y la hemoglobina, así como de la actividad catalítica de las enzimas del citocromo . [11] La hemocianina reemplaza a la hemoglobina como el transportador de oxígeno de elección en la sangre de ciertos invertebrados, incluidos los cangrejos herradura , las tarántulas y los pulpos . La vitamina B 12 representa una de las pocas aplicaciones bioquímicas del cobalto.